Как да започнете ритмичното дишане при раждането

Anonim

Общият израз "толкова лесно, колкото дишането" е наистина подвеждащ. Дишането, както се извършва от по-високите гръбначни, е сложна биологична функция, включваща много видове неврони. Той изисква хемосензорни неврони да усещат нивата на кислорода и въглеродния диоксид в кръвта и моторните неврони, за да контролират движението на мускулите. Тя също така се нуждае от специализирани неврони, за да се установят правилните дихателни ритми при раждането и впоследствие да се поддържат през целия живот. Механизмът, чрез който действията на тези разнообразни групи неврони са фино оркестрирани да произвеждат точни дихателни ритми, остава мистерия.

В лабораторията си в Медицински колеж "Бейлор" д-р Худа Зогхи и колегите й откриват две невронни линии в задния мозък, които действат като "проводници" на тази изящна биологична симфония. Те координират и предават сензорната информация, получена от различни хемосензори, към ритмогенните неврони в централната дихателна верига, за да установят и поддържат оптимални дихателни ритми, които са особено критични за оцеляването на новородено.

"Способността да се модулират дихателните ритми в отговор на промените в нивата на кислорода и въглеродния диоксид е от решаващо значение за оцеляването на хората и другите животни", казва Зогхи, професор по молекулярна и човешка генетика и педиатрия и невронауки в Baylor и директор на Института за неврологични изследвания "Ян и Дан Дънкан" в детската болница в Тексас. "По време на разработването повечето невронни вериги са способни да практикуват и да прецизират дейността си въз основа на обратната връзка, която получават."

Невронните вериги, участващи в дишането, обаче, трябва да бъдат прецизно свързани и готови да изпълняват безупречно при раждането, без предишна практика. Нещо повече, при ниски нива на кислород (в голяма надморска височина или по време на тренировка) или при натрупване на въглероден диоксид (хронична обструктивна белодробна болест, астма и сънна апнея), нервните схеми трябва бързо да компенсират чрез дишането по-дълбоко и по-бързо.

Основните регулаторни гени чрез транскрипционните фактори наблюдават развитието на невронните популации и координират бързите реакции между тях. Тези гени преминават през целия заден мозък, образувайки шарка, която е генетичният план, върху който е изградена веригата на дихателните нерви.

"Разбирането как тези ключови гени установяват дихателната верига може да даде ценни данни за това как нервните респираторни вериги са" скокообразувани "при раждането", казва Зогхи, който също е изследовател в Медицинския институт "Хауърд Хюз". "Освен това тя може да предложи ключови прозрения за причината за респираторен дистрес при недоносени бебета и кърмачета, които умират от синдрома на внезапна смърт при кърмачета".

Настройване на дихателната верига

Атоналният хомолог 1 (Atoh1) е един такъв регулаторен ген. В продължение на десетилетия учените са се опитали да разберат защо мишките, които нямат Atoh1 гена, умират от дихателна недостатъчност при раждането. Atoh1 се експресира по цялата дължина на задния мозък и се изисква за правилното развитие на няколко невронални линии в тази област на мозъка.

Предишно проучване, проведено в лабораторията Zoghbi, съобщава, че когато Atoh1 е бил изтрит от ретро трапезоидното ядро ​​(RTN) - група от неврони, намиращи се в долната част на задния мозък, мишките не успяват да подобрят дихателните си ритми в отговор на високи нива от въглероден диоксид, и въпреки това, забележително, само някои от новородените мишки в това котило умряха. Това предполага, че други неврони, експресиращи Atoh1, трябва да играят важна роля в дишането и да мотивират лабораторията Zoghbi да изучават други неврони на Atoh1. Използвайки техниките за проследяване на генетичните роговини, Мейк ван дер Хейдън, завършил студент в лабораторията Zoghbi и първичната авторът на статията установи, че парабрахичните сложни неврони са специално активирани, когато нивата на кислорода и въглеродния диоксид са променени, което предполага, че те могат да играят важна роля в регулирането на дишането при стресови условия.

"Atoh1 беше специално заличена от горната ромбична област на устните, част от горната част на задния мозък, където се раждат неврони на PBC", каза ван дер Хейдън. "Въпреки че мишки, които нямат парабрахиални сложни неврони, са преживели ранен неонатален период, те са проявявали няколко отличителни белези на незрели дихателни контрола, като ритмични неравномерности и апнеи.Също така тези мишки не са били в състояние да дишат по-бързо или по-дълбоко, когато кислородът е бил нисък. Невроните са необходими за правилното съзряване на дихателната мрежа. "

След това изследователите попитали как парабратните сложни неврони предават сензорната информация на централната дихателна верига - активират ли ритумогенните неврони надолу по веригата или действат директно върху мускулите? Използвайки ново генерирана миша линия, която отличава Atoh1-линии от други неврони на задния мозък, те заключават, че парабрановите комплексни неврони действат индиректно чрез селективно комуникиране с ритмогенни неврони и RTN неврони.

Освен това, авторите показаха, че анормалното развитие на парабрахични комплекси или RTN неврони обобщава специфичните аспекти на незрял контрол на дишането, наблюдаван при недоносени деца. Това предполага, че въпреки че тези линии отговарят на различни сензорни знаци, те са и двете важни за медиацията на по-бързи дихателни ритми. Мишки с комбинирана загуба на Atoh1 и в параплазния комплекс, и в RTN невроните, имаха тежки проблеми с дишането и умряха при раждането. Заедно тези резултати показват, че въпреки че парабрахиалните комплексни и RTN невронни клетъчни типове могат до известна степен да компенсират загубата един на друг, те трябва да действат заедно, за да осигурят оцеляването на животното.

Въз основа на това изследване авторите предлагат модел, при който промените в нивата на кислорода и въглеродния диоксид (например при раждане или поради висока надморска височина и физически упражнения) се откриват от хемосензорни неврони и се предават на парабрахиалния комплекс и RTN невроните. На свой ред тези неврони предават тази информация на ритмогенни неврони, активирайки моторните неврони и мускули и позволявайки на животното да взема бързо и дълбоко въздух, за да вдишва повече кислород.

Проучването предлага потенциална причина за аномалии на дишането, наблюдавани при недоносени бебета, и защо привидно здравите бебета умират от SIDS.

Бебетата, които носят мутации в гени, които регулират развитието и активността на тези две невронни линии, вероятно ще имат повишен риск от респираторни проблеми при раждането. Освен това, тъй като нервната дихателна мрежа при тези новородени ще бъде незрели, дори минималните промени в нивата на кислорода или въглеродния диоксид в околната среда ще се окажат фатални.

Това проучване предлага отлични молекулни и клетъчни цели за по-нататъшно изследване на това как нефункционалните линии на Atoh1 могат да допринесат за респираторната недостатъчност при преждевременно родени и високорискови бебета. Разбирането на ключовите възли в дихателната мрежа, които са от решаващо значение за силното дишане, е ключова стъпка за лекарите да разберат какво допринася за дишането на уязвимостта при новородените и за предотвратяване на смъртните случаи, свързани със SIDS, в бъдеще.

Прочетете всички подробности от тази работа в списанието eLife.

Популярни Публикации

Препоръчано